高等天气学题

高等天气学

1996

1、试用简明的涡度方程或位势倾向方程中各项说明制约温带气旋发展的物理因子，进行简单的解释。 （位势倾向方程，其余略）

制约气旋发展的物理因子主要有：涡度平流，温度平流，凝结潜热，摩擦，辐射和地形。 根据地面气压系统的发展方程：

t

T p p f R V t t t gu T gu

g ∂∂∇-∇⋅-≅∂∂-∂∂=∂∂2

00

ln ζζζζ ]1)([ln 20Q c T V p p f R V p

d gu +-+∇⋅-∇-∇⋅-=ωγγζ 上式中，假定t gu

∂∂ζ是对无辐散层的，略去v β的作用，T ζ是热成风涡度，Q

是非绝热加热率，平均号代表地面到无辐散层高度的气压加权平均值，ω是p 坐标系中的垂直速度。地面气压系统的发展，是与无辐射层上的涡度平流以及地面到无辐散层间的平均温度平流、平

均温度绝热变化和非绝热变化的拉普拉斯有关。在正涡度平流区，0>∇⋅-gu V ζ ，有

00

>∂∂t g ζ，即无辐散层上正涡度输送区将使地面涡度增加，相应气压降低。温度平流项

)(ln 20T V p

p f R ∇⋅-∇- 又可称厚度平流项（)(2h V f g ∇⋅-∇- ）。在平均暖平流区，0>∇⋅-T V ，在平均冷平流区，0<∇⋅-T V ，故在暖平流最强的地区，0)(2<∇⋅-∇T V ，因而使00

>∂∂t g ζ，而在冷平流最强的地区，0)(2>∇⋅-∇T V ，有00<∂∂t g ζ，前者有利于气旋的生成发展，后者不利于气旋的生成发展。绝热变化项ωγγ)(ln 20-∇-d p

p f R 代表大气层结和垂直速度分布对地面相对涡度变化的作用。对未饱和情况，通常d γγ<，当0<ω时，0)(<-ωγγd 。在最强上升运动处，气柱变冷最多，因而0)(2>-∇ωγγd ，这使00

<∂∂t g ζ，这不利于气旋的生成发展。同理，稳定层结下，下沉运动最强处，使00

>∂∂t g ζ，有利于气旋的生成发展。非绝热项)1(ln 20Q c p p f R p

∇-表明，在热源地区（0>Q ），有

0)1(2<∇Q c p

，则00>∂∂t g ζ，即有热源区或加热区，非绝热作用使气旋生成和发展。冷源地区有利于反气旋生成发展。

2、解释中尺度对流复合体（MCC ）的定义，并说明它的主要特点。（略）P414,P416 参考后半部分17题

MCC 定义：

尺度A ：小于－320C 的红外温度的云区面积必须大于106km 2。尺度B ：小于－520C 的温

度的内部冷云区的面积42510km ≥⨯

开始时：尺度定义A 和B 首先满足。

生命期：满足尺度定义A 和B 的时期≥6小时。

最大范围：连续的冷云区（红外温度32C ≤-︒）达到最大尺度。

外形：椭圆形，在最大范围时刻偏心率7.0≤。

结束时：尺度定义A 和B 不再满足。

成熟MCC 结构的主要特征：

（1）在对流层下半部（尤其在700hPa 以下）相对流入从各方进入系统。

（2）中层相对气流很弱，因为系统近于与中层气流一起移动。在对流层上部，系统周围的相对气流是辐散的，下风处比上风处弱得多。

（3）最强的对流单体经常出现在系统的右后象限，有时具有线状排列，取向与系统的运动方向一致。

（4）在平均中尺度上升区也出现大范围的弱降水和阵雨区，通常在强对流区左侧。

（5）MCC 出现在偏南低空风最大值前端的强暖平流和强辐合区中。

（6）在浅薄边界层中，系统是冷心的，中层大部地区是暖心，再向上在对流层上部和平流层下部又是冷心。

（7）上述热力结构在边界层产生一中高压，其上为中低压，对流层上部为中高压。中低压的作用是增强流入而高空中高压可使系统北缘之高度梯度增加，形成强反气旋曲率流出的急流带。

3、什么叫“大气遥相关”，给出热带地区热源强迫所构成的几种大气遥相关型。

大气遥相关是指某个区域的大气环流的变化与远距离的某些区域的气象要素场有很强的相关关系。

在地面气压场上表现为一些大气活动中心之间的相反变化关系即涛动，如南方涛动（SO ）是指热带印度洋和热带东太平洋气压变化的呈相反关系的现象，即印度洋上各站（如达尔文港）气压下降时，太平洋各站的气压及爪哇降水增加的趋势。北大西洋涛动（NAO ），冰岛低压与北大西洋高压气压变化呈现相反关系，即当冰岛低压加深（中心气压下降）时，北大西洋高压加强（中心气压上升）；反之，当冰岛低压减弱中心气压上升时，北大西洋高压也减弱中心气压下降。还有北太平洋涛动。

在对流层中层500hPa 高度场，取一些基点与所有格点求相关，可以看到一些正负相间的波列，这些波列有的类似于射线沿着某种大圆路径走向排列，发源于热带地区而后向东转向与某一纬圈相切，再向后弯曲进入热带地区，如PNA 太平洋北美型、EA 大西洋东部型、EUP 欧亚-太平洋型；有的呈现为偶极子类型，如W A 大西洋西部型、WP 太平洋西部型。 这些波列表现为大气对一切持续的局地强迫作用在行星尺度上的响应，对地形有很强的依赖

性，而气候平均定常波的存在是这种相关结构的成因之一。一方面遥相关对外源强迫如热带海表温度异常可以有极其明显的响应，例如赤道东太平洋SST 的异常将形成比较稳定的遥相关型，如PNA 、EUP 等。另一方面，大气内部的非线性相互作用也是激发遥相关型的重要原因，如基于行星波在球面上的二维能量频散理论可以较好地解释遥相关的大圆路径，而时间平均气流的不稳定发展也是重要的原因之一。

热带地区热源强迫所构成的几种大气遥相关型：南方涛动，PNA 也与赤道东太平洋SST 有一定关系

4、试述热带地区在全球大气环流中的重要性，近二十年来热带气象学（包括热带大气环流及大气系统）主要成就有哪些方面（请说出三种以上）？

重要性：（1）热带是整个大气的水汽、热量和角动量源。（2）热带大气和扰动与中高纬的大气和扰动有明显的相互作用，不能将这两个地区的环流视为完全孤立的。（3）热带地区是地球上主要的海洋区，海气相互作用以及遥相关最显著，这是影响全球天气与气候形成和异常的一个主要原因。 （主要成就有哪些方面）

热带气象学所研究的内容主要有以下三个方面：

大气环流 热带大气环流的形成和变化，是热带大气本身的动力和热力特性、海陆热力差异、青藏高原等大地形的动力和热力作用，以及南北半球环流相互作用等因子共同作用的结果。

天气系统 探测和理论研究的结果，发现了热带地区许多新的天气系统。

这些不同的空间和时间尺度的天气系统及其相互影响，是热带气象学研究的重点。

5、叙述定常波形成的原因，及定常波在大气环流中的作用。

【定常波：时间平均值的纬向偏差的定义为定常波，即*[]A A A =-。它表示时间平均图上的纬偏值，又称常定涡旋项，主要反映大气活动中心、高空平均槽脊以及季风等特征。其三维结构主要用半球时间平均场的纬向不对称分布和经度－高度剖面图表征。】

定常波的形成主要是地形和非绝热加热分布不均匀性强迫的结果，两者对于定常波的维持都是重要的。但热力强迫和地形强迫的定常波有不同的结构。热力强迫的扰动尺度比地形强迫的大，尤其是在对流层上部。它们的位相随高度也有更显著更系统的向西倾斜。

定常波对热量、西风动量、位势高度有经向输送作用：（1）热量以50N 为中心有很强的向北输送，这与中纬度定常波槽脊随高度有明显的向西倾斜有关。向北的输送有两个最大值区，一在对流层上部和平流层下部，一在近地面附近。（2）动量通量分布的特征在50N 以南有向北的输送，50N 以北有向南的输送。这种输送特征与定常波槽脊在副热带有西南－东北倾斜，在中高纬有东南－西北倾斜的特征有关。（3）因为地转风对位能的经向输送沿纬圈的平均值为零，因此定常波对位能的输送代表的是非地转运动的作用。这种输送的主要特点是在中纬度有明显的向赤道输送。 定常的输送与瞬变波的输送相比一般较弱，*2[]v 和'2[]v 之差特别明显。但是定常波的输送在热量、动量和涡度的局地时间平均的收支中起着重要作用，因而定常波和瞬变波的相对重要性不能只以上述方差和协方差量值来决定。

【北半球冬季定常波主要特征：

（1）200hPa 高度场在高纬度和低纬度有不同的流型，中纬度有明显的纬向动量向极通量，这种向极通量表示有一个从高纬流型向低纬流型的EP 通量。因此低纬度流型的波动部分是由较高纬度的波动所强迫。中高纬负值中心位于140E 和70W 。在30N 附近高度场分布